(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器と、前記燃料ガスおよび酸素含有ガスを用いて発電する固体酸化物形燃料電池と、前記改質器に水を供給するための水供給手段と、該水供給手段より供給される水の量を制御する制御装置とを具備するとともに、前記水供給手段は、水を前記改質器に供給するための供給路と、該供給路に設けられた水ポンプとを具備する固体酸化物形燃料電池装置であって、前記水ポンプと前記改質器との間の前記供給路に該供給路内の電気伝導度または静電容量を計測するためのセンサが設けられており、前記制御装置は、前記センサが検出した前記供給路内を流れる気泡の検出時間に基づいて、前記気泡の体積を算出し、単位時間における水体積に対する気泡の割合に応じて、前記水ポンプの動作を制御することを特徴とする固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項２】
前記制御装置は、前記単位時間における水体積に対する気泡の割合が予め定められた所定値より多い場合に、算出された前記気泡の体積分だけ水供給量を増加するように、前記水ポンプの動作を制御することを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項３】
前記供給路には水タンクが設けられており、該水タンクには、前記固体酸化物形燃料電池からの排ガス中の水蒸気が凝縮した凝縮水が収容されており、前記水ポンプにより前記改質器に供給されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池装置およびその運転方法に関し、特に、原燃料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器と、該改質器に水を供給するための水供給手段とを具備する固体酸化物形燃料電池装置およびその運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体酸化物形燃料電池装置では、原燃料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器と、燃料ガスおよび酸素含有ガスを用いて発電する固体酸化物形燃料電池と、改質器に水を供給するための水供給手段とを具備するとともに、水供給手段は、水を改質器に供給するための供給路と、該供給路に設けられた水ポンプとを具備したものが知られている。
【０００３】
このような固体酸化物形燃料電池装置では、水ポンプにより供給路を介して水が改質器に供給され、改質器にて原燃料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成し、生成された燃料ガスを固体酸化物形燃料電池に供給し、この固体酸化物形燃料電池にて発電することが行われている。
【０００４】
しかしながら、水ポンプにより供給路を介して改質器に水が供給される際に、供給路内に気泡が入ることがあり、予め設定された量の水を供給するようにポンプを駆動制御していたとしても、気泡により、設定された水を改質器に供給することができず、改質器での水蒸気改質に不具合が生じ、ひいては燃料電池装置における発電制御に不具合を生じるという問題があった。
【０００５】
特に、燃料ガスが燃焼した排ガス中の水蒸気を凝縮させ、この凝縮水を改質水として使用する場合には、排ガス中に水蒸気とともに炭酸ガスが含まれているため、水蒸気が凝縮した凝縮水には炭酸ガスが溶け込んでおり、この炭酸ガスが供給路内で気泡となり改質器に供給されやすく、改質器に供給される水が不足するおそれがあった。
【０００６】
これに対して、従来、水流センサの検知信号に基づいて水に混入した気泡の数をカウントする気泡カウント手段を設け、気泡カウント手段の気泡カウント数に基づいて送給ポンプを追加作動させる燃料電池システムが知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−１９２２６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載された燃料電池システムでは、気泡カウント数に基づいて送給ポンプを追加作動させていたため、気泡の大きさにかかわらず、気泡数に基づいて送給ポンプを追加作動させることになり、改質器に供給される水量の制御が不十分であった。
【０００９】
すなわち、気泡には、大小様々な気泡が存在し、その個数だけで送給ポンプを追加作動させたとしても、予め設定された水量を改質器に精度良く供給することが困難であった。
【００１０】
本発明は、予め設定された水量を改質器に精度良く供給できる固体酸化物形燃料電池装
置およびその運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の固体酸化物形燃料電池装置は、原燃料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器と、前記燃料ガスおよび酸素含有ガスを用いて発電する固体酸化物形燃料電池と、前記改質器に水を供給するための水供給手段と、該水供給手段より供給される水の量を制御する制御装置とを具備するとともに、前記水供給手段は、水を前記改質器に供給するための供給路と、該供給路に設けられた水ポンプとを具備する固体酸化物形燃料電池装置であって、前記水ポンプと前記改質器との間の前記供給路に該供給路内の電気伝導度または静電容量を計測するためのセンサが設けられており、前記制御装置は、前記センサが検出した前記供給路内を流れる気泡の検出時間に基づいて、前記気泡の体積を算出し、単位時間における水体積に対する気泡の割合に応じて、前記水ポンプの動作を制御することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の固体酸化物形燃料電池装置の運転方法は、原燃料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器と、前記燃料ガスおよび酸素含有ガスを用いて発電する固体酸化物形燃料電池と、前記改質器に水を供給するための水供給手段とを具備するとともに、前記水供給手段は、水を前記改質器に供給するための供給路と、該供給路に設けられた水ポンプとを具備する固体酸化物形燃料電池装置の運転方法であって、前記供給路に設けられた電気伝導度または静電容量を測定するセンサにより、前記供給路内を流れる水と気泡との電気伝導度または静電容量の差により前記気泡を検出し、前記供給路内を流れる前記気泡の体積に基づき、前記水ポンプの運転を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の固体酸化物形燃料電池装置では、供給路に設けられたセンサにより、供給路内を流れる水と気泡との電気伝導度または静電容量の差により気泡を検出し、供給路内を流れる気泡の大きさに基づき、例えば、水ポンプに制御装置から与えられた指令流量（単位時間当たりの理論水量）と気泡の検出時間とから気泡の体積を求め、該気泡の体積に応じて水ポンプの運転を制御することができる。
【００１４】
すなわち、センサにより気泡に該当する電気伝導度または静電容量を検出した場合、例えば、水ポンプに与えられた指令流量と気泡の検出時間との積で気泡の体積を求め、例えば、水体積に対する気泡体積の割合が所定値ａ以下の場合には通常運転を行い、水体積に対する気泡体積の割合が所定値ａより大きい場合には、水ポンプによる水供給量を、気泡の体積分だけ増加させるように制御することができ、改質器に予め設定された水量を精度良く供給でき、改質器において安定した改質を行うことができ、固体酸化物形燃料電池装置の長期信頼性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】固体酸化物形燃料電池装置の一形態を示す説明図である。
【図２】供給路内を気泡が流れる状態を示すもので、（ａ）は小さい気泡が流れる状態を、（ｂ）は大きい気泡が流れる状態を示す断面図である。
【図３】固体酸化物形燃料電池セルを示すもので、（ａ）は横断面図、（ｂ）は縦断面図である。
【図４】燃料電池の一例を示し、（ａ）は燃料電池を概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）の燃料電池の破線で囲った部分の一部を拡大して示す横断面図である。
【図５】燃料電池モジュールの一例を示す外観斜視図である。
【図６】燃料電池装置の一部を省略して示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は、本形態の固体酸化物形燃料電池装置を示すもので、符号１は、固体酸化物形燃料電池１を示している。この固体酸化物形燃料電池１は、複数の燃料電池セルを直列に電気的に接続して構成されている。固体酸化物形燃料電池１については後述する。
【００１７】
この固体酸化物形燃料電池１は燃料ガスおよび酸素含有ガスを用いて発電するものであり、固体酸化物形燃料電池１（以下、燃料電池１ということがある）は収納容器３内に収容されている。収納容器３内には、改質器５も収納されており、改質器５で改質された燃料ガスを燃料電池１に供給するように構成されている。改質器５内には、都市ガス、プロパンガス等の原燃料ガスを改質する触媒が収容されている。
【００１８】
改質器５には、燃料ガスに改質される都市ガス等の原燃料ガスが供給されるように構成されている。
【００１９】
改質器５と燃料電池１との間は、燃料ガスを供給するための供給管からなる燃料ガス供給ライン９ａで連結されており、改質器５には、原燃料ガスを供給するための供給管からなる原燃料ガス供給ライン９ｂが接続されており、これらの燃料ガス供給管９ａと原燃料ガス供給管９ｂとで燃料供給ライン９を構成している。
【００２０】
原燃料ガス供給ライン９ｂには、原燃料ガスを改質器５に供給するための原燃料供給ポンプ１１が設けられており、原燃料供給ポンプ１１は制御装置１０に接続され、この制御装置１０は、負荷に応じて改質器５に供給する原燃料ガス量を原燃料供給ポンプ１１で制御し、燃料電池１に供給する燃料ガス量を制御している。
【００２１】
原燃料供給ポンプ１１の上流側には、原燃料ガス中の硫黄成分を除去するための脱硫触媒が収納された脱硫器（図示せず）が設けられている。この脱硫器からの原燃料ガスが改質器５に供給される。
【００２２】
また、改質器５には、供給管からなる供給路１３を介して水（純水）が供給されるようになっており、供給された水は改質器５内で水蒸気となって、都市ガス、プロパンガス等の燃料ガスと反応し、水素を主成分とする燃料ガスに改質される。改質器５から燃料ガスが燃料電池１に供給されるとともに、収納容器３内に空気等の酸素含有ガス（以下、酸素含有ガスを空気として説明することがある）が供給され、燃料電池１において発電することになるが、発電に用いられなかった燃料ガスは、定常状態では、燃料電池１の改質器５側で酸素含有ガスと反応して燃焼し、燃料電池１と改質器５との間に燃焼領域１５が形成されている。この燃焼ガスにより改質器５が加熱され、改質器５内の原燃料ガスが、水素を主とする燃料ガスに水蒸気改質されることになる。なお、燃料電池１の上方には、ヒータ等の着火装置が設けられており、発電に用いられなかった燃料ガスに着火される。
【００２３】
燃焼ガスには、水蒸気と二酸化炭素等が含まれており、この燃焼ガスは、収納容器３から収納容器３の下方に配置された熱交換器１７に排出され、この熱交換器１７で、例えば、給湯器の水と熱交換され、燃焼ガス（以下、排ガスということがある）が冷却され、水蒸気が凝縮し、水となり、イオン交換樹脂が収納された不純物除去容器１８に導入され、水タンク１９に供給される。
【００２４】
水タンク１９の水は、水ポンプ２０により吸い上げられ、供給管１３により改質器５に供給されるようになっている。この水ポンプ２０は、例えばプランジャーポンプとされており、プランジャーが往復移動することにより水を供給できるようになっており、制御装置１０からの指令により、プランジャーの往復移動速度が制御され、水の単位時間当たりの流量を変化させ、水の供給量を変化させることが可能な構造となっている。このような水ポンプ２０では、プランジャーの往復移動速度に対する水の流量が予め算出されている。
【００２５】
そして、供給管１３には電気伝導度計からなるセンサ２１が設けられている。このセン
サ２１は、図２に示すように、供給路１３に一対の電極２１ａを有しており、この一対の電極２１ａ間の電気伝導度を測定できるようになっている。すなわち、図２に示すように、水が電極２１ａ間を通過しているときは、水の電気伝導度を測定し、気泡２２が電極２１ａ間に位置する時には、水の電気伝導度とは異なる電気伝導度を検出できるようになっている。
【００２６】
例えば、電極２１ａ間に水が供給されている時の電気伝導度が１５μSであり、一方、
電極２１ａ間に気泡２２が位置した場合には電気伝導度が０μSとなり、これにより、電
極２１ａ間に気泡２２が位置していることがわかる。
【００２７】
そして、水ポンプ２０への指令流量（制御装置からの指令）に基づく単位時間当たりの理論水量を求め、センサ２１から気泡２２が電極２１ａ間に入ってから出ていく時間（電極２１ａ間を通過する時間：気泡２２の検出時間）を求め、水の指令流量と気泡２２が電極２１ａ間を通過する時間との積から気泡２２の体積を算出することができる。従って、気泡２２が改質器５内に導入される時間（瞬間）に、気泡２２の体積分だけ、水の供給量を増加させるように水ポンプ２０を制御することができる。
【００２８】
従って、センサ２１により気泡２２に該当する電気伝導度を検出した場合、水の指令流量（Ｌ／ｓ）と気泡２２の検出時間（ｓ）との積で気泡２２の体積を求め、例えば、単位時間における水体積に対する気泡２２の体積の割合（以下、単に気泡の割合ということがある）が所定値ａ以下の場合には通常運転を行い、気泡２２の割合が所定値ａより多い場合には、水ポンプ２０による水供給量を、気泡２２の体積分だけ増加させるように制御することができ、改質器５に予め設定された水量を精度良く供給でき、改質器５において安定した改質を行うことができ、固体酸化物形燃料電池装置の長期信頼性を向上できる。
【００２９】
なお、水ポンプ２０は特に限定されるものではなく、例えば、軸流ポンプ、その他のポンプであっても良い。また、上記形態では、単位時間当たりの流量を設定できる水ポンプ２０を用いて、気泡の体積を求めたが、例えば、軸流ポンプの場合には、ポンプの回転速度から水の流速を求め、この水の流速と、気泡２２の検出時間と、供給路を構成する供給管内の断面積との積により、気泡の体積を求めることができる。
【００３０】
また、気泡の体積は、例えば、供給路に設けた流速センサで水の流速を求め、この水の流速と、気泡２２の検出時間と、供給路を構成する供給管内の断面積との積により求めることもできる。
【００３１】
また、上記形態では、電気伝導度を測定するセンサ２１を用いたが、静電容量を測定するセンサを用いることができる。
【００３２】
なお、図２には、気泡の断面が楕円形状であり、気泡が供給管で制約されていない場合には断面が円形となり、供給管１３を形成する供給管の内径よりも大きな直径を有する気泡２２を示した。本願発明では、特に、図２に示すような、供給管内に断面が楕円形として存在する大きな気泡２２が存在する場合に有効に気泡２２を検出することができる。
【００３３】
この形態の固体酸化物形燃料電池装置では、気泡カウント数に基づいて送給ポンプを追加作動させていた従来の燃料電池装置では達成できなかった、気泡の大きさを求め、ポンプによる水供給量を、気泡の体積分だけ増加させるように制御することができ、予め設定された水量を精度良く改質器に供給できる。
【００３４】
すなわち、制御装置１０は、センサ２１からの信号に基づき、水ポンプ２０を制御するようになっている。センサ２１が電気伝導度により気泡２２を検知すると、その検知時間
が制御装置に送られ、制御装置１０により気泡２２の体積が求められる。
【００３５】
そして、単位時間当たりの水体積に対する気泡２２の体積の割合に応じて、制御装置１０は、各種の制御を行うことができる。
【００３６】
例えば、単位時間当たりの５ｃｃの水体積に対する気泡２２の体積の割合が５％（０．２５ｃｃ）以下の場合には通常運転を行い、５ｃｃの水体積に対する気泡２２の体積の割合が５％（０．２５ｃｃ）より大きい場合には、水ポンプ２０による水供給量を、気泡２２の体積分だけ増加させるように制御することができ、改質器５に予め設定された水量を精度良く供給でき、改質器５において安定した改質を行うことができ、固体酸化物形燃料電池装置の長期信頼性を向上できる。
【００３７】
さらに、５ｃｃの水体積に対する気泡２２の体積の割合が２０％（１ｃｃ）より大きい場合には、異常と判断し発電を停止することもできる。
【００３８】
燃料電池１は、複数の燃料電池セルを電気的に直列に接続してなるもので、燃料電池セルを図３に示す。図３（ａ）は燃料電池セル２０の横断面図、（ｂ）は（ａ）の縦断面図である。なお、両図面において、燃料電池セル２０の各構成を一部拡大して示している。
【００３９】
この燃料電池セル２０は、中空平板型の燃料電池セル２０で、断面が扁平状で、全体的に見て楕円柱状をした多孔質の導電性支持体（以下、支持体ということがある）２１を備えている。導電性支持体２１の内部には、適当な間隔で複数の燃料ガス流路２２が長手方向に形成されており、燃料電池セル２０は、この導電性支持体２１上に各種の部材が設けられた構造を有している。
【００４０】
導電性支持体２１は、互いに平行な一対の平坦面ｎと、一対の平坦面ｎをそれぞれ接続する弧状面（側面）ｍとで構成されている。平坦面ｎの両面は互いにほぼ平行に形成されており、一方の平坦面ｎ（下面）と両側の弧状面ｍを覆うように多孔質な燃料極２３が設けられており、さらに、この燃料極２３を覆うように、緻密質な固体電解質２４が積層されている。
【００４１】
導電性支持体２１、燃料極２３は、金属を含有するもので、金属としては、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ等が知られている。燃料極２３は、金属の他に金属酸化物を含有しており、金属酸化物としては、例えば安定化ジルコニアまたは部分安定化ジルコニアが知られている。
【００４２】
また、固体電解質２４の上には、反応防止層２５を介して、燃料極２３と対面するように、多孔質な酸素極２６が積層されている。また、燃料極２３および固体電解質２４が積層されていない他方の平坦面ｎ（上面）には、密着層２７を介してインターコネクタ２８が形成されている。
【００４３】
すなわち、燃料極２３および固体電解質２４は、両端の弧状面ｍを経由して他方の平坦面ｎ（上面）まで形成されており、固体電解質２４の両端にインターコネクタ２８の両端が位置するように積層され、固体電解質２４とインターコネクタ２８で導電性支持体２１を取り囲み、内部を流通する燃料ガスが外部に漏出しないように構成されている。
【００４４】
図４は、上述した燃料電池セル２０の複数個を、集電部材３３を介して電気的に直列に接続して構成される燃料電池（セルスタックともいう）の一例を示したものであり、（ａ）は燃料電池１を概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）の燃料電池１の一部拡大断面図であり、（ａ）で示した破線で囲った部分を抜粋して示している。なお、（ｂ）において（ａ）で示した破線で囲った部分に対応する部分を明確とするために矢印にて示しており、
（ｂ）で示す燃料電池セル２０においては、上述した反応防止層２５等の一部の部材を省略して示している。
【００４５】
なお、燃料電池１においては、各燃料電池セル２０を集電部材３３を介して配列することで燃料電池１を構成しており、各燃料電池セル２０の下端部が、燃料電池セル２０に燃料ガスを供給するためのガスタンク３６に、ガラスシール材等の接着剤により固定されている。また、燃料電池セル２０の配列方向の両端から複数の燃料電池セル２０を挟持するように、ガスタンク３６に下端部が固定された弾性変形可能な導電部材３４を具備している。
【００４６】
また、図４に示す導電部材３４には、燃料電池セル２０の配列方向に沿って外側に向けて延びた形状で、燃料電池１の発電により生じる電流を引出すための電流引出し部３５が設けられている。
【００４７】
図５は、燃料電池１を収納容器３内に収納してなる燃料電池モジュール３８の一例を示す外観斜視図であり、直方体状の収納容器３の内部に、図４に示した燃料電池１を収納して構成される。
【００４８】
なお、燃料電池セル２０にて使用する燃料ガスを得るために改質器５を燃料電池１の上方に配置している。そして、改質器５で生成された燃料ガスは、燃料ガス供給管９ａを介してガスタンク３６に供給され、ガスタンク３６を介して燃料電池セル２０の内部に設けられた燃料ガス流路２２に供給される。
【００４９】
なお、図５においては、収納容器３の一部（前後面）を取り外し、内部に収納されている燃料電池１および改質器５を後方に取り出した状態を示している。図５に示した燃料電池モジュール３８においては、燃料電池１を、収納容器３内にスライドして収納することが可能である。
【００５０】
また収納容器３の内部に設けられた酸素含有ガス導入部材３７は、図５においてはガスタンク３６に並置された燃料電池１の間に配置されるとともに、酸素含有ガスが燃料ガスの流れに合わせて、燃料電池セル２０の側方を下端部から上端部に向けて流れるように、燃料電池セル２０の下端部に酸素含有ガスを供給する。そして、燃料電池セル２０の燃料ガス流路２２より排出される燃料ガスを酸素含有ガスと反応させて燃料電池セル２０の上端部側で燃焼させることにより、燃料電池セル２０の温度を上昇させることができ、燃料電池１の起動を早めることができる。また、燃料電池セル２０の上端部側にて、燃料電池セル２０の燃料ガス流路２２から排出される燃料ガスを燃焼させることにより、燃料電池セル２０（燃料電池１）の上方に配置された改質器５を加熱することができる。それにより、改質器５で効率よく改質反応を行うことができる。
【００５１】
図６は、外装ケース内に図５で示した燃料電池モジュール３８と、燃料電池１を動作させるための補機とを収納してなる燃料電池装置の一例を示す斜視図である。なお、図５においては一部構成を省略して示している。
【００５２】
図６に示す燃料電池装置４３は、支柱４４と外装板４５とから構成される外装ケースを仕切板４６により上下に区画し、その上方側を上述した燃料電池モジュール３８を収納するモジュール収納室４７とし、下方側を燃料電池モジュール３８を動作させるための補機類を収納する補機収納室４８として構成されている。なお、補機収納室４８に収納する補機類は省略している。上記した水タンク１９、水ポンプ２０、センサ２１は、補機収納室４８に収納されることになる。
【００５３】
また、仕切板４６には、補機収納室４８の空気をモジュール収納室４７側に流すための空気流通口４９が設けられており、モジュール収納室４７を構成する外装板４５の一部に、モジュール収納室４７内の空気を排気するための排気口５０が設けられている。
【００５４】
なお、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。
【００５５】
例えば、上記形態では、収納容器３内に改質器５を収容したが、改質器５は収納容器３の外側にあっても良い。
【００５６】
また、上記形態では、中空平板型の固体酸化物形燃料電池セルを用いた燃料電池について説明したが、円筒型の固体酸化物形燃料電池セルを用いた燃料電池であっても良いことは勿論である。さらに、燃料極、固体電解質、酸素極を順次設けてなる平板状の燃料電池セルと、燃料極に接続する燃料側インターコネクタと、酸素極に接続する酸素側インターコネクタとの積層体を隔離板を介して複数積層してなり、燃料極及び酸素極の中央部にそれぞれ燃料ガス及び酸素含有ガスが供給されて燃料極及び酸素極の外周部に向けて流れ、燃料電池セルの外周部から余剰の燃料ガス及び酸素含有ガスが放出され、燃焼されるタイプの平板型燃料電池にも応用できる。
【符号の説明】
【００５７】
１：燃料電池
１０：制御装置
１３：供給路
１７：熱交換器
１９：水タンク
２０：水ポンプ
２１：センサ
２１ａ：電極
２２：気泡
３８：燃料電池モジュール
４３：燃料電池装置
【図１】
0005748501.tif 000002
【図２】
0005748501.tif 000003
【図３】
0005748501.tif 000004
【図４】
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【図５】
0005748501.tif 000006
【図６】
0005748501.tif 000007